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Metasurface-Enhanced Photon Upconversion upon 1550 nm Excitation

  • Photon upconversion upon 1550 nm excitation is of high relevance for applications in the third biological excitation window, for photovoltaics beyond current limitations, and enables appealing options in the field of glass Fiber telecommunications. Trivalent doped erbium ions (Er3+) are the material of choice for 1550 nm excited upconversion, however, they suffer from a low absorption cross-section and a low brightness. Therefore, the ability of Silicon metasurfaces to provide greatly enhanced electrical near-fields is employed to enable efficient photon upconversion even at low external Illumination conditions. Hexagonally shaped β-NaYF4:Er3+ nanoparticles are placed on large-area silicon metasurfaces designed to convert near-infrared (1550 nm) to visible light. More than 2400-fold enhanced photon upconversion luminescence is achieved by using this metasurface instead of a planar substrate. With the aid of optical simulations based on the finite-element method, this result isPhoton upconversion upon 1550 nm excitation is of high relevance for applications in the third biological excitation window, for photovoltaics beyond current limitations, and enables appealing options in the field of glass Fiber telecommunications. Trivalent doped erbium ions (Er3+) are the material of choice for 1550 nm excited upconversion, however, they suffer from a low absorption cross-section and a low brightness. Therefore, the ability of Silicon metasurfaces to provide greatly enhanced electrical near-fields is employed to enable efficient photon upconversion even at low external Illumination conditions. Hexagonally shaped β-NaYF4:Er3+ nanoparticles are placed on large-area silicon metasurfaces designed to convert near-infrared (1550 nm) to visible light. More than 2400-fold enhanced photon upconversion luminescence is achieved by using this metasurface instead of a planar substrate. With the aid of optical simulations based on the finite-element method, this result is attributed to the coupling of the excitation source with metasurface resonances at appropriate incident angles. Analysis of the excitation power density dependence of upconversion luminescence and red-to-green-emission ratios enables the estimation of nanoscale near-field enhancement on the metasurface. The findings permit the significant reduction of required external excitation intensities for photon upconversion of 1550 nm light, opening perspectives in biophotonics, telecommunication, and photovoltaics.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:D. Ahiboz, Elina AndresenORCiD, P. Manley, Ute Resch-GengerORCiD, Christian WürthORCiD, C. Becker
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Advanced Science News
Jahr der Erstveröffentlichung:2021
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.2 Biophotonik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley-VCH-GmbH
Jahrgang/Band:9
Ausgabe/Heft:24
Erste Seite:2101285
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Brightness; Excitation power density; Lanthanide; Lifetime; Mechanism; Method; NIR; Nano; Nanomaterial; Photoluminescence; Photophysics; Quantum yield; SWIR; Sensor; Single enhancement; Single particle; Upconversion nanoparticle
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Nano
Umwelt
Umwelt / Sensorik
DOI:10.1002/adom.202101285.
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-537193
ISSN:2195-1071
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:10.11.2021
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:10.11.2021
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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